森林地表可燃物含水率变化机理及影响因子研究概述

田 甜，邸雪颖

(东北林业大学林学院，哈尔滨150040)

森林作为地球上可再生自然资源及陆地生态系统的主体，在维持全球碳平衡和保护生物多样性等方面都起着重要的作用。而林火是森林生态系统的一个重要干扰因子，其不仅破坏森林生态系统的结构和功能，而且燃烧森林可燃物，对全球气候变化产生重要影响。林火预测预报主要是通过采取各种林火管理措施，减少森林火灾的发生和降低森林火灾造成的损失。其中，可燃物含水率通过影响可燃物的着火点等燃烧特性影响火灾的发生与蔓延，是判断林火能否发生，进行林火发生预报的重要因子［1］。另外，根据可燃物含水率还可以预测火险等级和森林过火面积，从而为扑火工作组织管理部门制定决策提供参考［2－3］。因此深入探究森林可燃物含水率的变化机理及各环境因子对其影响机制，对准确预测可燃物含水率尤为重要，是现代林火管理中最基本而又最重要的工作，具有重要的现实意义。

1 基本概念

1.1 可燃物定义

森林可燃物是指森林和林地上一切可以燃烧的物质，包括森林内所有的植被、地表枯落物、粗糙腐殖质和沼泽泥炭，是森林火灾发生的物质基础，也是发生森林火灾的首要条件［4］。

可燃物在森林中所处位置不同，发生的林火种类也不同，应采取的扑救措施也不一样。一般根据森林可燃物在林内的位置，划分为地下可燃物、地表可燃物和空中可燃物。其中地表可燃物是指距离地面1.5 m以内的所有可燃物，包括草、灌木、杂物和木质可燃物等。地表可燃物的含水率及分布是影响地表火燃烧强度和蔓延速度的关键因素，是形成地表火的物质基础。地表可燃物的组成物质复杂，有采伐剩余物、抚育间伐剩余物、自然灾害遗留的可燃物以及灌草等，高强度的地表火有可能点燃上层树冠［5］。

1.2 可燃物含水率

可燃物含水率由可燃物自身的性质以及气象环境因子 (大气温度、相对湿度、降水量、太阳辐射和风速等)等共同决定［5］，可燃物含水率是决定火行为参数不可缺少的一个重要因子，直接影响可燃物达到燃点的速度以及释放热量的多少，间接影响着林火的发生发展、蔓延速度和火烧强度［6］。其中细小可燃物含水率的大小是火灾发生的关键因素，对火灾能否发生影响最大。当细小可燃物含水率大于8%时，较小的火源不会引燃森林火灾，当细小可燃物含水率小于4%时，容易引起严重火灾［1］。

将可燃物长期放置在固定的温度和湿度条件下，可燃物所含水分会达到恒定，此时的恒定含水率值即平衡含水率 (Equilibrium Moisture Content，EMC)［7］。死可燃物含水率的变化分为吸水过程和失水过程，吸水过程中的平衡含水率比失水过程中的低2 个百分点［8］。

时滞 (timelag)是枯死可燃物失去初始含水量和平衡含水量之差数的63%(即1－1/e)所需的时间。不同可燃物的含水率对气象因子的响应速率不同，时滞是可燃物对水分反应的结果，美国国家火险等级系统中根据时滞将枯死可燃物划分为4类，分别为1h时滞可燃物、10 h时滞可燃物、100 h时滞可燃物和1000 h时滞可燃物。

2 可燃物含水率变化机理

可燃物含水率是决定森林火灾发生和蔓延的关键因素，任何微弱变化都可导致森林火行为发生质的变化［9］。相同的条件下，活可燃物和死可燃物的含水量和水分变化性质不同。以下从活可燃物和死可燃物两个方面来探讨含水率的变化规律以及对森林火灾的影响。

2.1 活可燃物含水率变化

活可燃物包括森林内所有的草本植物、灌木和乔木等，其含水率是指活的植物体内的水分含量，主要是受其自身生理机能的影响，但一定程度上还会受到外界环境因素的影响［10］。在活可燃物中，树冠层的树叶和小枝的含水率是形成树冠火的关键。在阔叶林中，林冠层树叶和小枝的含水率在不同季节有很大变化，春季新生叶的含水率通常在200%～300%之间，其他季节则逐渐减低。对于针叶林，无论在什么季节，若针叶含水率低于100%都有可能发生树冠火。

活可燃物通过生理机能的调节作用间接对外界环境的变化做出反应，雨季空气湿度大，植物生长较快，活可燃物含水率较高，短期内有较大幅度变化。长期干旱的天气条件下可燃物生长缓慢，含水率较低，一定时间内含水率变化不大。所以在运用气象要素法预测可燃物含水率的研究中较少以活可燃物作为研究对象。

2.2 死可燃物含水率变化

死可燃物，即林内枯死植物体的总称，包括森林地表枯枝落叶、死亡木和采伐剩余物等，其含水率变化过程受外界环境因子影响很大，如:降水、相对湿度、温度、风和地形条件等。因此死可燃物含水率是研究森林火险天气预报和火行为预报的关键内容［10］。由于死可燃物内部细胞间隙、纤维和细胞等有机结构完好保存，而这些有机结构中的水分随外界环境条件的变化而变化，所以死可燃物含水率受这些有机结构的水分变化影响而发生改变。这种改变从两方面进行，具体分为吸水过程和失水过程。

2.2.1 死可燃物的吸水过程

死可燃物由干燥状态变为潮湿状态的过程即为吸水过程。当死可燃物的边界水外部表面水气压低于外界环境水气压时，死可燃物就通过吸取外界环境中的水分或吸收其表面上的自由水来达到内部水分饱和点。当死可燃物内部水分小于外界环境中的水分时，死可燃物内部细胞从空气中吸收水分来达到内部水分饱和点。所以长期干旱的情况下，死可燃物含水率随着空气相对湿度的增大而增大。死可燃物的自身大小及表面积体积比等理化性质决定了吸水过程中的吸水速率。也就是说，细小可燃物由于自身径级较小，吸水速率比径级较大的可燃物要快，达到饱和与平衡所需的时间较短［11］。

2.2.2 死可燃物的失水过程

死可燃物由潮湿状态变为干燥状态的过程即为失水过程，当死可燃物内部水分大于外界环境中的水分时，内部水分进入外界。总体来说，失水过程受外界气温、相对湿度、气压、风以及死可燃物大小影响，在高温、湿度较小、气压较低及风力较大时，细小可燃物失水较快，易发生燃烧。失水过程分为速率恒定期、速率减少期和速率下降期3个步骤，每一步骤都有不同的失水机制［11］。下面对失水过程的3个变化步骤进行详细介绍:

(1)速率恒定期。速率恒定期是一个相对独立的阶段，与死可燃物实际含水率和吸水能力等理化性质没有关系。这一时期同任何表面自由水蒸发一样，每当外界环境水汽压小于死可燃物饱和水汽压时，蒸发过程即开始进行，且水分蒸发速度与外界环境水汽压梯度成正比。无风的条件下，死可燃物表面自由水层与外界空气之间存在一层薄膜，水气聚集在薄膜附近，逐渐饱和且降低了蒸发速率，此时死可燃物失水仅通过外界空气中移动缓慢的水分子扩散来实现。有风的条件下，薄膜层遭到破坏导致失水加剧。

(2)速率减小期。速率减小期的中间速率处于速率恒定期和速率下降期的过渡阶段，这一期间死可燃物失水变化特征逐渐减慢，失水速率因外界环境条件的变化和死可燃物自身性质影响而逐渐减慢。由于外界环境条件随时变化且无法得出固定规律，一般情况下此阶段的失水速率计算允许存在误差，可以忽略此期间的失水计算，从而直接计算失水过程的速率下降期［12］。

(3)速率下降期。速率下降期的失水速率最快，此阶段是死可燃物内部水分迅速向外界扩散的过程。当水分逸出达到饱和点时，死可燃物细胞质吸收水分在细胞壁上形成边界水气压，外界环境水气压梯度随死可燃物内部边界水气压减小而逐渐减弱。此时保持死可燃物持续失水必须满足两个条件:一是外界环境水气压必须持续地明显低于正在减小的内部边界水气压;二是增加可燃物温度，使其保持高温。风在失水过程中对失水速率的影响逐渐减小［12］。

2.2.3 死可燃物含水率的时间变化规律

(1)死可燃物含水率的季节变化。死可燃物含水率随季节变化的波动较大。1～2月份为春季，空气干燥，植物枯死，且常遇大风，此时死可燃物含水率为一年当中最低;3～4月为积雪融化期，融化的雪水增加了死可燃物含水率，而后日渐干燥，死可燃物含水率又出现波动;5～9月份为雨季，大量降水使死可燃物吸附其表面上的液态水，从而使含水率达到最大值;10～12月份，随着天气逐渐干燥，植株凋落枯亡，可燃物含水率逐渐降低，并降至较低水平，但由于植物刚停止生长不久，体内仍存有一定水分，且有少量降水，含水率还是比春季高［10］。因此死可燃物含水率通常表现出春季变化剧烈、夏季最高、秋季下降、冬季最低的总趋势［13］。

(2)死可燃物含水率的日变化。无降水时，死可燃物含水率受空气湿度影响较大，相对湿度越大，死可燃物含水率也越大。其次，含水率还受到南北坡日照时差的影响，南坡日照时间较长，其含水率低于北坡。一般情况下，死可燃物含水率在每日凌晨8∶00左右达到最高，在中午14∶00左右达到最低。

3 可燃物含水率的影响因子

可燃物含水率与森林火灾的发生发展有着密切的关系，决定了森林被点燃的难易程度，是影响林火发生的重要因子［14－18］。可燃物含水率的影响因子较多，是各项因子的相互作用综合决定的，主要分为3类:第一类是包括树种、地形等在内的稳定少变因子;第二类是包括物候变化等在内的缓变因子;第三类是包括空气温度、相对湿度、风速、降水和太阳辐射等气象因子在内的易变因子［19］。

目前，在可燃物含水率的研究中常采用的易变因子有温度、相对湿度、风、降水等。此外，地形地貌 (稳定少变因子)对森林可燃物含水率的变化也有一定影响。以下分别就各因子对可燃物含水率变化的影响机制进行介绍。

3.1 温度

3.1.1 空气温度

温度是开展森林火险预报工作以来一直备受关注的直接影响因子。空气温度受环境的影响间接作用于可燃物，使可燃物自身物理性质发生改变，从而影响火险等级［20］。根据可燃物含水率随外界环境条件变化的关系，可以通过空气温度等气象因子来预测可燃物含水率。澳大利亚最初就是运用回归分析法研究空气温度和湿度与可燃物含水率之间的关系，从而计算可燃物含水率，建立林火预报系统。美国国家火险等级系统利用森林可燃物含水率和空气温度的直接输入来实现森林火险的预测预报。

可燃物自身水分蒸发和扩散受气温影响，气温越高，相对湿度越低，水分蒸发和扩散越快，可燃物含水率随之减小;另外，气温的升高也能提高可燃物本身温度，使可燃物燃烧所需的热量减少［20］。资料表明:当气温小于－10℃时，火灾一般不发生;当气温为－10～0℃时，火灾有可能发生;当气温为0～10℃时，火灾容易发生，危害最严重;当气温为11～15℃时，地表植被开始复苏，火灾次数逐渐减少;夏秋干旱季节，当气温大于或等于30℃，相对湿度小于或等于30%时，森林火灾处于高发易发的危险期［19］。

3.1.2 地面温度

地面温度即土壤温度，对森林内活可燃物和死可燃物含水率影响机制不同。对活可燃物而言，地面温度直接影响可燃物对土壤水分和矿物质营养的吸收，地面温度越低，可燃物吸水速度越慢，活可燃物含水率就越低;反之，地面温度越高，活可燃物吸水能力越强，含水率明显增大。对枯枝落叶等死可燃物来说，含水率主要受地面温度影响，地面温度越高，土壤水分蒸发越快，含水率降低，火险等级升高［21］。

3.2 相对湿度

空气中的湿度可直接影响可燃物内部水分的蒸发与扩散。所以，可燃物含水率随林内相对湿度的变化而变化。当空气中相对湿度较小时，可燃物蒸发快，含水率小，火灾容易发生和蔓延。相对湿度与森林火灾发生的关系见表1［19］。

表1 相对湿度与森林火灾发生的关系Tab.1 Relationship between relative humidity and forest fire occurrence

因此森林火灾容易发生的季节一般是冬春季，此时气温低、相对湿度小、可燃物含水率较低，而夏秋季长期干旱，温度高、相对湿度大，可燃物蒸发速率加快，从而使可燃物含水率降至最低，特别容易引发森林火灾。

3.3 风

风作为间接因子影响可燃物含水率，不但能降低空气湿度，而且还加速了可燃物表面水分蒸发。在林火预报中，风作为直接因子决定火强度、林火蔓延速度和火场面积，是一个十分重要的因子。美国国家火险等级系统把风速因子作为一个重要参数，澳大利亚林火预报系统的林火蔓延速度是由火险指标和风速等气象因子确定的［20］。

风对林火蔓延的推动作用主要表现在3个方面［19］。

(1)改变热对流，增加平热流，加速林火蔓延。

(2)加快可燃物水分蒸发，使可燃物干燥易燃，补充氧气，增加助燃条件，加速燃烧过程。

(3)形成飞火，将燃烧物吹到别处形成新的火源，使多处林火连接成片，迅速扩大林火面积。

3.4 降水

降水通过降低空气温度、增加林内湿度和可燃物表面水分影响可燃物含水率，从而影响森林火灾发生。降水包括雨、雪、露、冰雹、霜和雾等形式。降水同时增加了土壤含水率，降低森林火险。一般情况下，降水量小于5 mm时，对林火发生有利;降水量大于5 mm时，对林火发生发展有抑制作用［19］。降水量较少或没有时，空气干燥，相对湿度减低，可燃物含水率减小，森林火险增大。林火预报的实际应用中，主要采用降水量、降水形式和连旱天数作为预报因子［20］。

在林火管理中，降水延续时间是一个重要的气象要素。阵雨只是暂时停留在可燃物表面，随后很快流失，只是暂时增加了可燃物含水率，对火险来说只是暂时改变了着火点，而降水延续时间能够反映可燃物体内水分渗透变化，降水时间越长，水分渗透能力越强，从而提高可燃物含水率，降低火险等级［22］。

此外，重大森林火灾的发生与长期干旱天气密切相关。天气干旱降低空气湿度，地表可燃物含水率随之降低，增加林火发生机率。但有研究表明，连旱天数不会独立影响可燃物含水率，而是在到达一定天数后达到最大值，在此最大值以后连旱天数对可燃物含水率的影响逐渐减小［23－24］。连旱天数已经成为当前森林火灾预测预报系统中尤为重要的气象因子。

3.5 太阳辐射

太阳辐射对可燃物含水率有直接和间接两方面影响:它直接影响不同径级可燃物的水分扩散，间接影响周围环境的空气温度和相对湿度，使风在复杂的地形上形成，进而影响立地上的可燃物含水率［25］。

过去在研究火行为模型时，就有学者探讨光照对不同森林可燃物类型干燥过程的影响［26－31］。在小尺度上将光照对森林地表细小可燃物含水率的影响进行量化，结果认为光照有可能改变水分动态变化。这一理论被用在草地细小可燃物含水率预测模型中［32］，该模型参照资料记录把太阳辐射作为其中一个变量对可燃物地面温度进行计算［30，33］，Kelsy Gibos则预测了南北坡天气变化条件下的含水率变化差异［33］。

目前加拿大火险等级预测模型未能明确指出太阳辐射对天气条件和可燃物干燥速率的影响，而这种影响最终会导致林火管理区域内林下细小森林可燃物含水率的预测出现差异［34］。

3.6 地形地貌

坡度、坡向和坡位、海拔等地形因素，会导致局地气象要素的变化，直接影响可燃物含水率的变化，间接影响林火的发生与发展。因此在预测可燃物含水率时要充分考虑其作用。目前我国在可燃物含水率预测方法中较少采用地形地貌等作为预报因子。美国、加拿大和澳大利亚等国的林火预报系统在进行火行为预报时，都考虑了坡度因子的作用，采用坡度修正蔓延模型［19］。地形地貌属于稳定少变因子，通过以下方面影响气象要素:

(1)坡度通过改变气象条件间接影响林火发生和蔓延状况。坡度越大，降雨径流排泄越快，地表可燃物易于干燥，发生林火的可能性就越大;另外坡度不同，林火蔓延速度不同，坡度越大，蔓延速度越快，地表火易转为树冠火，从而造成大面积森林损失。

(2)坡向直接影响地表接受到的太阳辐射值，造成不同坡向气温差异明显。南坡接收太阳辐射相对较多，地面温度相比其他坡向要高，空气干燥，可燃物蒸发快，易发生火灾;另外，同一坡向不同坡位环境不同，也会影响可燃物含水率的分布。如北坡底部空气湿度比北坡上部大，可燃物含水量高，不易发生火灾。

(3)海拔高的地方降水量大，温度相对较低，蒸发量减少，空气湿度变大，不易发生林火［10，19］。

4 结束语

森林可燃物的含水率是森林火险天气预报的重要内容，可燃物含水率直接影响着火的难易程度，间接影响林火强度及林火蔓延速度，而森林可燃物含水率的变化是众多影响因子综合作用的结果。因此，在森林可燃物含水率预测研究中不能仅考虑单个因子的影响，而是要考虑多个因子的综合作用。目前，我国在运用气象要素法预测可燃物含水率的研究中，大多选择气象因子等易变因子作为预报因子，较少采用地形地貌等稳定少变因子。在以后的研究中，应多方面研究考察各因子间的相互作用，筛选出对可燃物含水率影响较为显著的因子作为预报因子，建立准确性较高的可燃物含水率预测模型，为我国林火预测预报研究工作提供强有力依据。

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